Vijesti - Praćenje razine otopljenog kisika u procesu biofarmaceutske fermentacije

Što je otopljeni kisik?

Otopljeni kisik (DO) odnosi se na molekularni kisik (O_₂) koji je otopljen u vodi. Razlikuje se od atoma kisika prisutnih u molekulama vode (H_₂O), budući da postoji u vodi u obliku neovisnih molekula kisika, bilo da potječu iz atmosfere ili nastaju fotosintezom vodenih biljaka. Na koncentraciju razrijeđenog kisika utječu različiti čimbenici, uključujući temperaturu, slanost, protok vode i biološke aktivnosti. Kao takav, služi kao ključni pokazatelj za procjenu zdravstvenog stanja i stanja onečišćenja vodenih okoliša.

Otopljeni kisik igra vitalnu ulogu u poticanju mikrobnog metabolizma, utječući na stanično disanje, rast i biosintezu metaboličkih produkata. Međutim, više razine otopljenog kisika nisu uvijek korisne. Višak kisika može dovesti do daljnjeg metabolizma akumuliranih produkata i potencijalno uzrokovati toksične reakcije. Optimalne razine otopljenog kisika razlikuju se među različitim bakterijskim vrstama. Na primjer, tijekom biosinteze penicilina, otopljeni kisik se obično održava na približno 30% zasićenja zrakom. Ako otopljeni kisik padne na nulu i ostane na toj razini pet minuta, stvaranje produkta može biti značajno narušeno. Ako ovo stanje potraje 20 minuta, može doći do nepovratne štete.

Trenutno, najčešće korišteni DO senzori mogu mjeriti samo relativnu zasićenost zrakom, a ne apsolutnu koncentraciju otopljenog kisika. Nakon sterilizacije hranjivog medija, provodi se prozračivanje i miješanje dok se očitanje senzora ne stabilizira, nakon čega se vrijednost postavlja na 100% zasićenosti zrakom. Naknadna mjerenja tijekom procesa fermentacije temelje se na ovoj referenci. Apsolutne DO vrijednosti ne mogu se odrediti standardnim senzorima i zahtijevaju naprednije tehnike, poput polarografije. Međutim, mjerenja zasićenosti zrakom općenito su dovoljna za praćenje i kontrolu procesa fermentacije.

Unutar fermentora, razine DO mogu varirati u različitim regijama. Čak i kada se u jednom trenutku postigne stabilno očitanje, u određenim medijima za uzgoj i dalje se mogu pojaviti fluktuacije. Veći fermentori obično pokazuju veće prostorne varijacije u razinama DO, što može značajno utjecati na rast i produktivnost mikroba. Eksperimentalni dokazi pokazali su da, iako prosječna razina DO može biti 30%, performanse fermentacije u promjenjivim uvjetima znatno su niže nego u stabilnim uvjetima. Stoga, pri povećanju kapaciteta fermentora - osim razmatranja geometrijske i energijske sličnosti - minimiziranje prostornih varijacija DO ostaje ključni istraživački cilj.

Zašto je praćenje otopljenog kisika ključno u biofarmaceutskoj fermentaciji?

1. Održavanje optimalnog okruženja za rast mikroorganizama ili stanica
Industrijska fermentacija obično uključuje aerobne mikroorganizme, poput Escherichia coli i kvasca, ili stanice sisavaca, poput stanica jajnika kineskog hrčka (CHO). Ove stanice funkcioniraju kao "radnici" unutar fermentacijskog sustava, zahtijevajući kisik za disanje i metaboličku aktivnost. Kisik služi kao terminalni akceptor elektrona u aerobnom disanju, omogućujući proizvodnju energije u obliku ATP-a. Nedovoljna opskrba kisikom može dovesti do gušenja stanica, zaustavljanja rasta ili čak stanične smrti, što u konačnici rezultira neuspjehom fermentacije. Praćenje razina rastvorenog kisika osigurava da koncentracije kisika ostanu unutar optimalnog raspona za održivi rast i održivost stanica.

2. Osigurati učinkovitu sintezu ciljnih produkata
Cilj biofarmaceutske fermentacije nije samo poticanje proliferacije stanica, već i olakšavanje učinkovite sinteze željenih ciljnih produkata, poput inzulina, monoklonskih antitijela, cjepiva i enzima. Ovi biosintetski putevi često zahtijevaju značajan unos energije, prvenstveno dobivene aerobnim disanjem. Osim toga, mnogi enzimski sustavi uključeni u sintezu produkata izravno ovise o kisiku. Nedostatak kisika može poremetiti ili smanjiti učinkovitost ovih putova.

Štoviše, razine otopljenog kisika djeluju kao regulatorni signal. I pretjerano visoke i pretjerano niske koncentracije otopljenog kisika mogu:
- Mijenjaju stanične metaboličke putove, na primjer, prelazeći s aerobnog disanja na manje učinkovitu anaerobnu fermentaciju.
- Pokreću stanične stresne reakcije, što dovodi do proizvodnje neželjenih nusprodukata.
- Utjecati na razinu ekspresije egzogenih proteina.

Preciznom kontrolom razina rastvorenog kiseonika u različitim fazama fermentacije moguće je usmjeriti stanični metabolizam prema maksimalnoj sintezi ciljnog produkta, čime se postiže fermentacija visoke gustoće i visokog prinosa.

Uvod u dijagram toka vode za biofarmaceutske proizvode

3. Za sprječavanje nedostatka ili viška kisika
Nedostatak kisika (hipoksija) može imati ozbiljne posljedice:
- Rast stanica i sinteza produkata prestaju.
- Metabolizam se prebacuje na anaerobne putove, što rezultira nakupljanjem organskih kiselina poput mliječne i octene kiseline, koje snižavaju pH medija za uzgoj i mogu otrovati stanice.
- Dugotrajna hipoksija može uzrokovati nepovratna oštećenja, pri čemu je oporavak nepotpun čak i nakon što se obnovi opskrba kisikom.

Višak kisika (prezasićenost) također predstavlja rizike:
- Može izazvati oksidativni stres i stvaranje reaktivnih vrsta kisika (ROS), koje oštećuju stanične membrane i biomolekule.
- Prekomjerno prozračivanje i miješanje povećavaju potrošnju energije i operativne troškove, što dovodi do nepotrebnog rasipanja resursa.

4. Kao kritični parametar za praćenje u stvarnom vremenu i upravljanje povratnom vezom

OK je parametar u stvarnom vremenu, kontinuiran i sveobuhvatan, koji odražava unutarnje uvjete fermentacijskog sustava. Promjene u razinama OK mogu osjetljivo ukazati na različita fiziološka i operativna stanja:
- Brzi rast stanica povećava potrošnju kisika, što uzrokuje pad razine rastvorenog kisika.
- Iscrpljivanje ili inhibicija supstrata usporava metabolizam, smanjujući potrošnju kisika i uzrokujući porast razine rastvorenog kisika.
- Kontaminacija stranim mikroorganizmima mijenja obrazac potrošnje kisika, što dovodi do abnormalnih fluktuacija rastvorenog kisika i služi kao rani signal upozorenja.
- Kvarovi opreme, poput kvara miješalice, začepljenja ventilacijske cijevi ili onečišćenja filtera, također mogu rezultirati abnormalnim ponašanjem otopljenog kisika.

Integracijom praćenja rastvorenog kisika u stvarnom vremenu u automatizirani sustav upravljanja s povratnom vezom, precizna regulacija razina rastvorenog kisika može se postići dinamičkim podešavanjem sljedećih parametara:
- Brzina miješanja: Povećanje brzine poboljšava kontakt plina i tekućine razbijanjem mjehurića, čime se poboljšava učinkovitost prijenosa kisika. Ovo je najčešće korištena i najučinkovitija metoda.
- Brzina aeracije: Prilagođavanje brzine protoka ili sastava ulaznog plina (npr. povećanje udjela zraka ili čistog kisika).
- Tlak u spremniku: Povećanje tlaka povećava parcijalni tlak kisika, čime se povećava topljivost.
- Temperatura: Snižavanje temperature povećava topljivost kisika u mediju za kulturu.

BOQU-ove preporuke za online praćenje biološke fermentacije: